Biocomposite: Vật liệu của tương lai bền vững

Thứ năm - 09/03/2017 20:19
          Trước tình trạng các sản phẩm làm từ nhựa, tồn tại dai dẳng trong môi trường tới hàng trăm năm, nguồn tài nguyên dầu mỏ đang dần cạn kiệt, quá trình tiêu hủy rác gây ô nhiễm tới môi trường và việc các loại động vật vô thức ăn phải các thức ăn từ nhựa dẫn đến tử vong đã đặt ra yêu cầu bức thiết phải phát triển các loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học. Biocomposite là một trong những sản phẩm có thể đáp ứng được yêu cầu đó.
          Biocomposite là các vật liệu composit được làm từ sợi tự nhiên và các polyme không phân hủy sinh học có nguồn gốc từ dầu mỏ như PP, PE, và epoxy hoặc polyme sinh học như PLA và PAHs. Vật liệu composit được làm từ polyme sinh học và sợi tổng hợp như thủy tinh và cacbon cũng có thể được gọi là biocomposite. Những loại vật liệu này thân thiện với môi trường nên còn được gọi là “composite xanh”.
 
hoa5
     Hình 1.1. Tình hình sử dụng composite nền nhựa và cốt sợi năm 2002.
 
hoa6
Hình 1.2. Phân loại composite nguồn gốc sinh học
    
hoa7
Hình 1.3. Phân  loại sợi tự nhiên
 
hoa8
Hình 1.4. Một số loại sợi tự nhiên
          Hiện nay, một số loại sợi không phải gỗ (như sợi gai dầu, kenaf, sợi lanh và sợi sisal được sử dụng thương mại trong sản xuất biocomposite với nền là polypropylen dùng trong công nghiệp ô tô. Các loại sợi từ cây thân thảo tự nhiên cũng đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong việc sử dụng chúng làm sợi gia cường cho biocomposite. Tương tự như vậy, những loại sợi gỗ tái chế như sợi giấy báo là một nguồn tiềm năng cho các loại sợi gia cường. Sợi rơm rạ từ lúa, lúa mì hoặc ngô được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới và là các chất gia cường rất rẻ cho chế tạo composite.
          Tất cả các loại sợi tự nhiên đều là hợp chất xenlulo tự nhiên. Thành phần chính của sợi sinh học tự nhiên là xenlulo và lignin. Hàm lương xenlulo trong các hệ lignin- xenlulo thay đổi phụ thuộc vào giống và tuổi của thực vật. Xenlulo là polyme glucan kỵ nước có chứa các đơn vị mạch thẳng 1,4-β anhydrogluco trong đó có chứa các nhóm hydroxyl. Các nhóm hydroxyl  tạo nên liên kết hidro nội phân tử và ngoại phân tử với các đại phân tử xenlulo hoặc các phân tử có cực. Do đó, tất cả các loại sợi tự nhiên đều kỵ nước. 
          
Các polyme sinh học có thể được định nghĩa là những chất mà dưới sự tác động của vi sinh vật bị cắt thành mạch ngắn hơn nên có thể phân hủy quang hóa, oxi hóa và thủy phân do đó làm thay đổi polyme trong quá trình phân hủy. Có một định nghĩa khác là: polyme có khả năng phân hủy sinh học là những polyme có khẳ năng phân hủy hoàn toàn dưới tác dụng của enzim vi sinh vật để tạo thành cacbon dioxit, metan, các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối trong một thời gian xác định. Các polyme có khả năng phân hủy sinh học có thể thu được từ các nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo hoặc tổng hợp từ hóa chất có nguồn gốc dầu mỏ. Sự trộn hợp của hai hoặc nhiều hơn các polyme có khả năng phân hủy sinh học có thể tạo ra một polyme có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với những yêu cầu nhất định.  Khả năng phân hủy sinh học không chỉ phụ thuộc vào nguồn gốc mà còn phụ thuộc vào cấu trúc hóa học và môi trường phân hủy. Khi một vật liệu có khả năng phân hủy sinh học (polyme nguyên chất, sản phẩm trộn hợp, hoặc composit) thu được hoàn toàn từ các nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được gọi là vật liệu polyme xanh. Vòng đời của các polyme có khả năng phân hủy sinh học được mô tả trong hình 1.5. 
hoa9
 Hình 1.5. Vòng đời của các polyme có khả năng phân hủy sinh học có thể duy trì cân bằng CO2 trong môi trường.
          Trước tiên, các polyme có khả năng phân hủy sinh học được sử dụng trong bao gói, canh tác nông nghiệp và một số ngành công nghiệp có yêu cầu về độ bền nhỏ. Những hạn chế về hình thức và giá thành cao của polyme có khả năng phân hủy sinh học là rào cản chúng để chúng được sử dụng rộng rãi thay thế cho các polyme không có khả năng phân hủy sinh học trước đây. Giá thành cao của một số polyme có khả năng phân hủy sinh học so với các nhựa truyền thống không chỉ phụ thuộc vào giá nguyên liệu thô để tổng hợp chúng mà còn do chúng được sản xuất với khối lượng ít. Những ứng dụng mới  của các polyme có khả năng phân hủy sinh học cần phải phát triển để chúng được sử dụng rộng rãi hơn. Thách thức trong việc phát triển các polyme này nằm trở chỗ chúng có ổn định trong thời gian bảo quản hoặc sử dụng và chỉ phân hủy khi không còn được sử dụng nữa. Polyme sinh học được gia cường bởi các sợi sinh học có thể tạo ra những biocomposite mới để thay thế composite được gia cường bởi sợi thủy tinh trong nhiều lĩnh vực.
          Biocomposite từ nguồn nông nghiệp tái tạo và sinh khối  có thể tạo thành cơ sở cho các sản phẩm có hiệu quả về môi trường và bền vững, có khả năng cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu của thị trường hiện nay, đang chủ yếu sử dụng các sản phẩm từ dầu mỏ. Đây là một cơ hội lớn để phát triển các sản phẩm trên cơ sở sinh học mới, nhưng thách thức thực sự là thiết được các sản phẩm trên cơ sở sinh học bền vững qua các ý tưởng cái tiến. Vật liệu xanh là xu thế mới của tương lai.
Tài liệu tham khảo
1. Wedin, R., Chemistry on a High-Carb Diet, American Chemical Society, Washington, D.C. 2004, pp. 30–35.
2. Gross, R.A. and Karla, B., Biodegradable polymers for environment, Science, 297, 803–807, 2002.
3. Mohanty, A.K., Misra, M., and Hinrichsen, G., Biofibers, biodegradable polymers and biocomposites: an overview, Macromol. Mater. Eng., 276/277, 1–25, 2000.
4. Mohanty, A.K., Misra, M., and Drzal, L.T., Sustainable Bio-Composites From Renewable Resources: Opportunities and Challenges in the Green Materials World, J. Polym. Environ., 10, 19–26, 2002.
5. Netravali, A.N. and Chabba, S., Composites get greener, Mater. Today,April 2003, pp. 22–29.
6. Plant/Crop-based Renewable Resources 2020, URL: http://www.oit.doe. gov/agriculture/pdfs/vision2020.pdf.
7. The Technology Roadmap for Plant/Crop-based Renewable Resources 2020,URL: http://www.oit.doe.gov/agriculture/pdfs/ag25942.pdf.
8. Drumright, R.E., Gruber, P.R., and Henton, D.E., Polylactic acid technology,Adv. Mater., 12, 1841–1846, 2000.
9. Petrovic, Z., Guo, A., and Javani, I., Process for the Preparation of Vegetable OilBased Polyols and Electroninsulating Casting Compounds Created fromVegetable Oil Based Polyols, U.S. Patent 6,107,433, 2000.
10. Thomas, S.M., Biomass Grass makes for composite Cars, Mater. World, 9, 24,2001.
11. Berenberg, B., Natural Fibers and Resins Turn Composites Green, Compos.Technol., 13, 2001.
12. Mapleston, P., Automakers see strong promise in natural fiber reinforcements(thermoplastic reinforced with natural fiber), Modern Plast., 76, 73–74, 1999.
13. Mohanty, A.K., Wibowo, A., Misra, M., and Drzal, L.T., Effect of Process Engineering on the Performance of Natural Fiber Reinforced Cellulose Acetate Biocomposites, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufac., 35, 363–370, 2004.
14. Mehta, G., Mohanty, A.K., Misra, M., and Drzal, L.T., Biobased resin as a toughening agent for biocomposites, Green Chem., 6, 254–258, 2004.
15. Thayer, A.M., Living and Loving Life Sciences, Chem. Eng. News, 76, Nov. 23,1998, pp. 17–24.

Tác giả bài viết: TS. Hoàng Thị Hoà

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
Thăm dò ý kiến

Ngành Công nghệ thực phẩm là gì?

Thống kê truy cập
  • Đang truy cập26
  • Hôm nay197
  • Tháng hiện tại3,584
  • Tổng lượt truy cập46,724
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây